书城自然科学学生气象知识丛书-人工影响天气
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第7章 驯服雷电(3)

有时雷雨云发展旺盛,云中荷电中心的形成以及电荷的积累都极其迅猛。这时人工减弱云中大气电场的办法,还不足以抑制闪电的发生。但由于云内大气导电性能大为改善,而闪电通道总是蜿蜒曲折地沿着大气电阻最小的路径行进,因此云内不同荷电中心之间的放电增加,而使危害较大的云地闪电的比例大为减少。

人们根据上述人工影响闪电的原理,进行了野外试验。有人曾用飞机在雷雨云中撒播直径为10—100微米、长5—10厘米的金属细丝。如果这种金属细丝进入云中大气电场超过3万伏特/米的区域,则大约几分钟之内,云中就会产生大量电晕放电而形成成千上万对正、负离子。结果,试验区域的大气电场明显下降,有时甚至下降一个数量级以上,效果显著。在这样低的大气电场条件下,闪电是不会再显示威风了。

利用飞机播撒金属细丝固然可以做到大面积均匀撒播,但因费用昂贵、作业不安全等问题,一时难于推广。因此,也可利用火箭在空中定点爆炸的方法进行播撒。

此外,也有人考虑在雷雨云下地面附近架设几公里长的导线,利用一套专用高压设备给导线加置几十万伏特的直流高压。这时,由于导线电晕放电而产生大量单极性的离子。这些离子借助于云下上升气流进入雷雨云中,以达到飞机在云中播撒金属细丝的同样效果。这种地面作业方法虽然有其方便之处,但因将大气离子引入雷雨云中的效率不高,效果不如前者理想。

二、抑制云中起电过程

人工影响雷电的一个途径,是从影响雷雨云的动力结构和云中微观物理过程,即从抑制雷雨云中产生电荷和电荷分离为正、负电荷中心的起电过程入手。雷雨云中电荷的产生和电荷分离,是通过云、雨粒子之间的碰撞、破碎和溶化等过程,把上升气流的动能转化为电能的结果。

为了说明这种影响方法的原理,我们先来说一下雷雨云中电荷是怎样产生的?这些正、负电荷最后又怎样分离开来,而在云中不同部位形成不同性质的电荷中心呢?

雷雨云起电的物理过程是十分复杂的,这里我们仅介绍温差起电效应。温差起电效应是当冰晶的两端温度有差异时,热端具有较多的正氢离子(H+)和负氢氧离子(OH-),它们具有向冷端扩散的趋势。但是正氢离子向冷端扩散的速度大于负氢氧离子的扩散速度,不久热端就剩下较多的氢氧离子而具有负电性,冷端却增加了不少氢离子而具有正电性。一旦冰晶在垂直于离子扩散的方向上断裂,正、负电荷就会分离开来,这就是冰晶的温差起电效应。

在雷雨云的中、上部,由于温度远低于0℃,因此存在大量冰晶、霰粒和过冷水滴。当霰粒或冰晶与较大的过冷水滴碰并时,过冷水滴将产生冻结。过冷水滴首先在外部结成一个冰壳,冻结冰壳所释放的潜热使滴内尚未冻结的过冷水增温。于是冰壳外表面的温度较低,由于冰晶的温差起电效应而呈正电性,冰壳内表面的温度相对较高,而呈负电性。当过冷水滴的冻结过程继续向内部发展,使水滴整个冻结时,则因水滴内部冻结引起膨胀而使带正电的表壳破裂,形成许多带正电的冰飞屑,而冰壳内侧因粘附在冻滴上而留下带负电的冻滴。带负电的冻滴不断与过冷水滴碰冻增长,直到云中强大的垂直气流支托不住时,便在重力作用下,降落到云的下部,形成负荷电区,而细小带正电的冰屑则随云中垂直气流聚集到云的上部,形成正荷电区。

在云中播撒催化剂,人为地改变云中某些物理过程,从而使起电过程受到抑制,也就是起到人工影响闪电的作用。在云体上部温度低于0℃的部位,人工播撒大量碘化银成冰核后,人为地产生了大量冰晶。这时,就如人工影响降雨时所发生的过程一样,经过冰、水角逐,使冰晶不断增长,而过冷水滴大为减少。于是,因过冷水滴碰冻形成温差起电的过程亦大为削弱。野外试验效果不错,与未进行人工影响的雷雨云相比较,云地闪电次数可减少50%左右,闪电活动的持续时间也缩短了将近一半。

人们在试验中还发现,云内闪电次数也有减少,但效果不如云地闪电次数的减少来得显著。在总闪电次数中,云内闪电所占比例明显增大。这表明用这种办法进行人工影响,不但抑制了雷雨云的起电过程,还影响了放电的方式,使闪电多发生在云内。这是因为人为引入云内的大量冰晶,其棱角锋利,容易在云中高电场区形成电晕放电,产生大量正、负大气离子,使云中大气导电性能改善,易在云内形成闪电通道。此外,室内实验还表明,含有大量冰晶的大气比含有大量水滴的大气,更容易在强电场中被击穿而形成闪电。由于这几种原因,使云内闪电比例增加,相对地又减少了危害较大的云地闪电。另外,在减少云地闪电的同时,还往往伴随人工降雨的附带效果。

通过影响云物理过程来抑制闪电,还仅仅是个开端。今后应进一步寻找人工影响雷电行之有效的方法,弄清人工影响雷电的过程。并通过大量试验,确定播撒冻结核方法影响雷电活动时,是否会产生副作用,例如减少雨量、促进降雹,或使地面风转向危及扑灭林火人员的安全等。

三、人工诱发闪电

20世纪60年代初,美国海军发现在雷雨天气条件下进行深水炸弹爆炸试验时,所激起的六七十米高的水柱,往往遭到雷击。这一偶然的事件使人们联想到,是否当高速运动导体靠近雷雨云中荷电中心时,可以诱发闪电。为此,有人在高压实验室内做了一次实验:在彼此相隔一定距离的金属球和细导线之间加上特定的高电压,这时只发生持续的电晕放电,但在同样条件下,若细导线一端用尼龙丝线系住,并以20米/秒的速度从远处拉至原来位置时,则在金属球与导线之间发生火花放电。这一实验证实了高速运动导体可以诱发火花放电,并有可能用来诱发自然闪电。

人们根据这些偶然的发现,以及避雷针作用原理的启发,施放携带接地导线的小火箭进入云中,从而诱发了云地闪电。例如美国和法国均有人利用小火箭,携带直径为02毫米、长约700米的接地细铜丝来诱发闪电,成功率可达70%—80%。近年来,我国也进行了类似的试验,获得了诱发闪电的预期效果。

带有接地导线的高速火箭,不仅在火箭头部形成很强的电场畸变,相当于避雷针向上延伸,有利于诱发闪电。同时,火箭在高速运动中,在其四周还来不及形成屏蔽体电荷,所以比静止状态更易诱发闪电。

即便不带有接地导线的高速飞行导体,一旦进入云中高电场区时,往往也能诱发闪电。

1968年美国发射宇宙飞船阿波罗-12时,当飞船穿过并无闪电的带电云体时,竟意外地相继遭到两次雷击。这一事件不仅引起宇航员的关切,同时也引起气象科学工作者的极大兴趣。此外,还有人对一百多次雷击飞机事例进行了分析,发现有一半以上是发生在雷击飞机前、后人们并未观测到自然闪电的带电云体里。这些偶然事件启发了人们,在带有不同荷电中心的云体里,即便云中电场强度还不足以产生自然放电,但只要条件合适,可以利用高速飞行导体诱发闪电,消耗云中的电荷。这就为人工影响闪电开辟了另一条新途径。

科学工作者进一步设想,如果人工施放小火箭这样的高速发行器进入带电的积云或雷雨云中,诱发闪电从而消耗云中荷电中心积累的大量电荷,于是在带电云中暂时打开了一条安全通道,使接踵而至的军事导弹、宇宙飞船等飞行器能够安全穿过云层进入太空。这就好比工兵扫清了前进道路上埋设的地雷,使大部队顺利地通过。此外,在核试验场、导弹发射基地,有时雷雨突然袭来,而工作又正处于现场阶段,已难于凭借常规的避雷设备来防止雷击了,于是向云中大量施放高速飞行导体,以期发生大量云内闪电,使云中正、负荷电中心的电荷逐步中和消耗殆尽,从而保证了地面设施的安全。

为将设想付诸实际,人们用小火箭进行诱发闪电的试验。小火箭头部带有直径为5—10厘米的金属小圆球,预先的理论估算得知,这种火箭发射到雷雨云中的大气电场超过10万伏特/米(这比自然闪电发生的大气电场约小一个量级)的区域时,就能诱发闪电。试验时先用飞机在云下进行安全飞行观测,当所测某区域大气电场超过10万伏特/米时,飞机就离开该试验目标区,并通知地面火箭发射站,向云中大气电场最强区施放大量火箭。结果有60%的火箭诱发了闪电,其中有相继三次发射火箭后立即在云中同一部位发生闪电,这是火箭穿过云中高电场区时诱发闪电的结果。试验结束后飞机复又进入云中试验区观测,发现施放火箭诱发闪电后,云下大气电场竟降低了几万伏特/米,这说明云中强荷电中心的荷电量因火箭诱发闪电已明显减弱。

在带电云中引进火箭等高速运动导体,为何能在弱于形成自然闪电的大气电场条件下,诱发闪电的发生呢?

首先,由于火箭等飞行器进入云中强电场区后,将强烈感应起电,使云中电场分布发生畸变,形成局部的高电场区,从而产生云中荷电中心与火箭等飞行器之间的闪电。其次,火箭等飞行器排出了大量温度很高且高度电离的喷气,这相当于增加飞行器的有效长度,扩大了使云中大气电场发生畸变的影响范围,增加了诱发闪电的机会。还有,火箭等飞行器在云中强电场条件下的电晕放电,以及喷射出的离化废气,使云中正、负离子剧增,这就改善了云雾大气的导电性能,有利于诱发闪电通道的形成。所有这些因素的综合使用,使得火箭等飞行器诱发闪电的试验得以成功。